Termoelektriske kjøleenheter, Peltier-kjølere (også kjent som termoelektriske kjølekomponenter) er faststoffkjøleenheter basert på Peltier-effekten. De har fordelene med ingen mekanisk bevegelse, intet kjølemiddel, liten størrelse, rask respons og presis temperaturkontroll. I de senere årene har bruksområdene deres innen forbrukerelektronikk, medisinsk behandling, biler og andre felt fortsatt å utvide seg.
I. Kjerneprinsipper for termoelektrisk kjølesystem og komponenter
Kjernen i termoelektrisk kjøling er Peltier-effekten: når to forskjellige halvledermaterialer (P-type og N-type) danner et termoelementpar og en likestrøm påføres, vil den ene enden av termoelementparet absorbere varme (kjøleenden), og den andre enden vil frigjøre varme (varmeavledningsenden). Ved å endre strømretningen kan kjøleenden og varmeavledningsenden byttes om.
Kjøleytelsen avhenger hovedsakelig av tre kjerneparametere:
Termoelektrisk godhetskoeffisient (ZT-verdi): Dette er en nøkkelindikator for å evaluere ytelsen til termoelektriske materialer. Jo høyere ZT-verdi, desto høyere kjøleeffektivitet.
Temperaturforskjellen mellom den varme og kalde enden: Varmespredningseffekten ved varmespredningsenden bestemmer direkte kjølekapasiteten ved kjøleenden. Hvis varmespredningen ikke er jevn, vil temperaturforskjellen mellom den varme og kalde enden bli mindre, og kjøleeffektiviteten vil synke kraftig.
Arbeidsstrøm: Innenfor det nominelle området øker en økning i strøm kjølekapasiteten. Når terskelen overskrides, vil imidlertid effektiviteten reduseres på grunn av en økning i Joule-varme.
II Utviklingshistorien og teknologiske gjennombrudd for termoelektriske kjøleenheter (peltier-kjølesystem)
I de senere årene har utviklingen av termoelektriske kjølekomponenter fokusert på to hovedretninger: materialinnovasjon og strukturell optimalisering.
Forskning og utvikling av høytytende termoelektriske materialer
ZT-verdien til tradisjonelle Bi₂Te₃-baserte materialer har blitt økt til 1,2–1,5 gjennom doping (som Sb, Se) og nanoskalabehandling.
Nye materialer som blytellurid (PbTe) og silisium-germaniumlegering (SiGe) yter usedvanlig bra i middels og høye temperaturer (200 til 500 ℃).
Nye materialer som organisk-uorganiske kompositttermoelektriske materialer og topologiske isolatorer forventes å redusere kostnader ytterligere og forbedre effektiviteten.
Optimalisering av komponentstruktur
Miniatyriseringsdesign: Forbered termosøyler i mikronskala ved hjelp av MEMS-teknologi (mikroelektromekaniske systemer) for å oppfylle miniatyriseringskravene til forbrukerelektronikk.
Modulær integrasjon: Koble flere termoelektriske enheter i serie eller parallelt for å danne høyeffekts termoelektriske kjølemoduler, Peltier-kjølere, Peltier-enheter, som oppfyller krav til termoelektrisk kjøling i industriell kvalitet.
Integrert varmespredningsstruktur: Integrer kjøleribbene med varmespredningsribbene og varmerørene for å forbedre varmespredningseffektiviteten og redusere det totale volumet.
III Typiske bruksscenarier for termoelektriske kjøleenheter, termoelektriske kjølekomponenter
Den største fordelen med termoelektriske kjøleenheter ligger i deres solid-state-egenskaper, støyfrie drift og presise temperaturkontroll. Derfor har de en uerstattelig posisjon i scenarier der kompressorer ikke er egnet for kjøling.
Innen forbrukerelektronikk
Varmeavledning for mobiltelefoner: Avanserte spilltelefoner er utstyrt med mikrotermoelektriske kjølemoduler, TEC-moduler, Peltier-enheter, Peltier-moduler, som i kombinasjon med væskekjølesystemer raskt kan senke brikketemperaturen, og forhindre frekvensreduksjon på grunn av overoppheting under spilling.
Bilkjøleskap, bilkjølere: Små bilkjøleskap bruker for det meste termoelektrisk kjøleteknologi, som kombinerer kjøle- og varmefunksjoner (oppvarming kan oppnås ved å endre strømretningen). De er små i størrelse, har lavt energiforbruk og er kompatible med 12V-strømforsyningen til en bil.
Kjølekopp for drikke/isolert kopp: Den bærbare kjølekoppen er utstyrt med en innebygd mikrokjøleplate som raskt kan kjøle ned drikkevarer til 5 til 15 grader Celsius uten å være avhengig av kjøleskap.
2. Medisinske og biologiske felt
Presisjonsutstyr for temperaturkontroll: som PCR-instrumenter (polymerasekjedereaksjonsinstrumenter) og blodkjølere, krever et stabilt lavtemperaturmiljø. Halvlederkjølekomponenter kan oppnå presis temperaturkontroll innenfor ±0,1 ℃, og det er ingen risiko for kjølemiddelforurensning.
Bærbart medisinsk utstyr: som for eksempel insulinkjølebokser, som er små i størrelse og har lang batterilevetid, er egnet for diabetespasienter å bære med seg når de skal ut, slik at de sikrer oppbevaringstemperaturen til insulinet.
Temperaturkontroll for laserutstyr: Kjernekomponentene i medisinske laserbehandlingsenheter (som lasere) er temperaturfølsomme, og halvlederkjølekomponentene kan avgi varme i sanntid for å sikre stabil drift av utstyret.
3. Industri- og romfartsfelt
Industrielt småskala kjøleutstyr: for eksempel kamre for aldringstesting av elektroniske komponenter og konstanttemperaturbad for presisjonsinstrumenter, som krever et lokalt lavtemperaturmiljø, termoelektriske kjøleenheter, termoelektriske komponenter kan tilpasses med kjøleeffekt etter behov.
Luftfartsutstyr: Elektroniske enheter i romfartøy har problemer med å avgi varme i et vakuummiljø. Termoelektriske kjølesystemer, termoelektriske kjøleenheter, termoelektriske komponenter, som solid-state-enheter, er svært pålitelige og vibrasjonsfrie, og kan brukes til temperaturkontroll av elektronisk utstyr i satellitter og romstasjoner.
4. Andre nye scenarier
Bærbare enheter: Smarte kjølehjelmer og kjøledrakter, med innebygde fleksible termoelektriske kjøleplater, kan gi lokal kjøling for menneskekroppen i miljøer med høy temperatur og er egnet for utendørsarbeidere.
Kuldekjedelogistikk: Små kjølekjedeemballasjebokser, drevet av termoelektrisk kjøling, Peltier-kjøling og batterier, kan brukes til kortdistansetransport av vaksiner og ferske råvarer uten å være avhengig av store kjølebiler.
IV. Begrensninger og utviklingstrender for termoelektriske kjøleenheter, Peltier-kjølekomponenter
Eksisterende begrensninger
Kjøleeffektiviteten er relativt lav: Energieffektivitetsforholdet (COP) er vanligvis mellom 0,3 og 0,8, noe som er mye lavere enn for kompressorkjøling (COP kan nå 2 til 5), og er ikke egnet for storskala og høykapasitetskjølescenarioer.
Høye krav til varmespredning: Hvis varmen ved varmespredningsenden ikke kan avledes i tide, vil det påvirke kjøleeffekten alvorlig. Derfor må den utstyres med et effektivt varmespredningssystem, noe som begrenser bruken i noen kompakte scenarier.
Høye kostnader: Forberedelseskostnadene for høytytende termoelektriske materialer (som nanodopet Bi₂Te₃) er høyere enn for tradisjonelle kjølematerialer, noe som resulterer i en relativt høy pris på avanserte komponenter.
2. Fremtidige utviklingstrender
Materialgjennombrudd: Utvikle rimelige termoelektriske materialer med høy ZT-verdi, med mål om å øke ZT-verdien ved romtemperatur til over 2,0 og redusere effektivitetsgapet med kompressorkjøling.
Fleksibilitet og integrasjon: Utvikle fleksible termoelektriske kjølemoduler, TEC-moduler, termoelektriske moduler, Peltier-enheter, Peltier-moduler, Peltier-kjølere, for å tilpasse seg enheter med buede overflater (som mobiltelefoner med fleksible skjermer og smarte, bærbare enheter); Fremme integreringen av termoelektriske kjølekomponenter med brikker og sensorer for å oppnå «temperaturkontroll på brikkenivå».
Energisparende design: Ved å integrere Internet of Things (IoT)-teknologi oppnås intelligent start-stopp og strømregulering av kjølekomponentene, noe som reduserer det totale energiforbruket.
V. Sammendrag
Termoelektriske kjøleenheter, peltier-kjøleenheter og termoelektriske kjølesystemer, med sine unike fordeler ved å være solid-state, stillegående og presist temperaturkontrollerte, inntar en viktig posisjon innen felt som forbrukerelektronikk, medisinsk behandling og luftfart. Med den kontinuerlige oppgraderingen av termoelektrisk materialteknologi og strukturell design vil problemene med kjøleeffektivitet og kostnader gradvis forbedres, og det forventes at det vil erstatte tradisjonell kjøleteknologi i mer spesifikke scenarier i fremtiden.
Publiseringstidspunkt: 12. desember 2025
